基于數據流的智能紡紗工廠關鍵技術突破及產業化應用
——魏橋紡織股份有限公司

一、企業概況

魏橋紡織是世界500強——魏橋創業集團控股子公司，是一家從事純棉精梳紗、高支高密坯布及牛仔布的生產及銷售的具有全球競爭力的棉紡織企業。公司始終堅持“為國創業、為民造福”的核心價值觀，以“創造財富、造福社會”為使命，堅守“永葆行業領先、爭當行業先鋒”的愿景，現有職工4.7萬，建有鄒平、魏橋、濱州、威海四大生產基地，魏橋紡織綠色智能化分廠，基本實現“無人化”生產，整體技術達到國際領先水平，“魏橋”牌產品以檔次高、質量好、規格全的優勢，覆蓋全球120多個國家和地區。作為一家上市公司，企業積極履行社會責任，參與社會公益，嚴格照章納稅，建立和完善了使職工住有所居，病有所醫，老有所養的保障體系。

二、主要措施

(一)立項背景

世界經濟正處于從信息經濟向知識經濟轉型的關鍵時期。以數據為核心驅動的知識經濟將人、信息空間、物理空間等深度融合，實現數字化、網絡化、云端化、智能化的知識經濟系統。把知識作為新的生產要素，以知識自主形成與已有生產要素的融合作為科技創新重點，以價值驅動作為產業模式創新核心，實現經濟可持續發展，是未來中國工業轉型的重點。我國是世界最大的紡織品生產和出口國，紡織工業在整個國民經濟中占有重要地位。紡紗是全產業鏈最基礎工序，將無序、含雜、多維的纖維材料制成潔凈有序的一維紗線，難度最大、用工最多、管理最繁。由于紡紗生產流程冗長，現有多家紡紗企業在建“智能紡紗”工廠，但其基本依賴裝備制造商提供的硬件及軟件、開發商提供的軟件進行拼接組裝，全流程的纖維物流仍存在連接斷點，工藝、裝備的在線數據未能得到實時獲取，智能化執行仍未成體系，故“智能技術”未能真正授惠于紡紗企業。

“智能紡紗”是目前紡織產業解決行業發展痛點和瓶頸的主要手段，本項目結合現有紡紗“智能化”過程中暴露出來的系統短板，基于企業現有裝備體系，在線再建新型的全流程物流、檢測與監控、大數據與智能化執行三大系統，基本實現生產過程的無人化，工藝、裝備監管的實時化，產品質量的最優化。

(二)主要關鍵技術及創新點

針對現有紡紗行業在智能化浪潮中暴露出來的系統短板，項目基于企業現有裝備體系，再建無縫化纖維物流系統、在線監測監控與響應系統、基于高速網絡的數據采集—分析—追蹤的數據流系統，確保生產安全、穩定、高質、高效運轉，如上頁圖1所示。

圖1 纖維流-檢測群-數據流統籌示意圖

創新點一：全流程無人化橋接

1.智能化上包技術

上包過程要求棉包從分級室定向運輸至抓棉機包臺指定位置，該過程影響原料混合的準確性。本項目所采用的是自主設計的激光導航AGV機器人，根據訂單要求生成最優配棉方案及排包圖，企業數據中心根據生產訂單安排計劃，向AGV小車下達訂單指令信息，AGV小車自動導航至棉包堆放區域，精準夾取相應批號的棉包；根據場地狀況，規劃最優路徑往復從分級室夾取棉包，放置于抓棉機的棉包臺上。該技術消除了人工操作的隨機性和隨意性。

2.并粗條筒智能化儲運技術

并粗工序間至今未有良好的物流解決方案，尤其針對204錠的超長錠智能粗紗機，仍采用人工推運等大量用工方案，不僅費時費力，還時常發生推送出錯。項目發明的條末并與粗紗間條筒運輸專用AGV小車，通過疊加式二次定位，一次性對多條筒的位置進行精準獲取并批量推送置換(同時推送4只條筒)，并可根據粗紗機的錠數優選空滿筒的置換模式。

3.細紗管紗按質在線分流技術

細紗管紗質量關乎整批紗線的質量，某一管紗的質量跳動將影響最終紗線的質量判定。管紗在線分流技術可根據細紗錠錠檢測獲取的質量信號，在線對每管紗的質量進行定標并寫入管底電子標簽。在細絡聯軌道上，管紗質量由RFID在線讀取，根據所帶質量數據進行在線分流，優質與非優質紗線進行分類絡筒，品質統一的筒紗再進入包裝環節，保證所有筒紗質量完全一致，實現紗線優質優用的產業需求。若某一錠位管紗質量頻繁出現跳動，系統將發出預警信號，大數據中心將通過網絡智能調用技術人員進行現場干預。

創新點二：紡紗全流程智能化檢測與監控

1.棉網質量在線監控技術

高速梳理后的纖維網中若存有棉結、雜質，將影響最終的紗線質量。本項目開發了高速光電子檢測技術：從現有CCD圖象輸入系統誤差引起圖象檢測信號失真的原因分析出發，提出了校正方法的原理和數學描述；使用高速線陣CCD為2048*2048像元，最高幀頻速率可達900幀/s。首先進行了圖像還原算法設計，找尋到灰度的跳變點，再將跳變點的過渡區間進行還原；再降噪，滿足了跳躍過程的圖像壓縮，使其跳躍在2—3個像素質值完成，保證圖像的清晰度。

2.細紗質量在線監控技術

現有環錠紡質量均采用隨機采樣對整臺管紗質量進行預估，不但效率極低，還難以捕捉到任意管紗發生的質量隨機跳動，嚴重影響到整批紗線的使用質量。本項目建立了基于紗體視覺感知，在細紗機上使用高速CCD，采用超分辨率圖像重構技術與多元混合結構光，融合結構化和非結構化數據，利用深度學習算法修正模型，實現細紗條干CV、棉結、毛羽等質量指標的實時在線檢測。

3.筒紗質量在線監控技術

現有筒紗自動打包系統基本服務于單一品種，而當前多有小批量多品種訂單，極易發生錯碼現象，造成極大的質量事故。項目采用筒紗在線品類讀碼分類、自動稱量、體型光電子檢測等組合檢驗技術，在一條“絡筒—打包”通道上完成不同筒紗在線品種、品質、卷裝質量等進行檢驗再檢測并分類碼垛，以實現按品種、質量進行分類碼垛與包裝貼碼，以保障某一品類筒紗最終質量的完全一致。

創新點三：數據流行動基礎與智能化執行

1.基于纖維流的全流程數據融合技術

基于紡織作業信息系統采集數據的項目及屬性，對多源異構裝備、工藝表單、監測時序、紗線圖像等數據進行分布式抽取；構建多源數據的集成模型，建立多維度數據描述模板、紡紗數據倉庫，集成全流程紡紗過程數據；縱向建立各工序數據關系結構樹，橫向鏈接對齊全流程數據，實現全流程數據的一對一或一對多關聯，建立紡紗全流程數字主線，如圖2所示。

圖2 纖維流與數據流系統統籌示意圖

2.面向智能車間運行的數據分析技術

在融合集成全流程紡紗過程數據的基礎上，項目通過大數據統計分析技術構建紗線評價指標體系及綜合評價度量體系，統計紗線指標隨配棉工藝的統計學特征；通過大數據聚類分析技術智能劃分、評估設備運行狀態等級，預測正/異常運行狀況及異常時所屬的故障類型；通過大數據關聯分析技術挖掘影響紡紗質量的關鍵因素，量化評估工藝參數對紡紗質量的影響；通過智能車間運行規律挖掘技術，揭示相互耦合的紡紗數據對車間性能的影響規律，預測未來車間各性能指標走勢(下頁圖3)，指導生產過程調整。工業大數據集成與共享對于管理和提供制造系統大數據分析的數據具有重要意義，提出將控制策略分為加工順序調整、系統參數調整和結構調整三種模式的一種三層彈性調度模型。設計了一個大數據驅動框架來保護制造系統不受這些變化的影響。

圖3 故障知識庫構建主流程圖

3.數據驅動的紡紗生產智能執行技術

基于原棉及用棉品質需求，建立基于誤差反饋的紗線性能預測方法，啟發式搜索算法動態調整配棉；根據設備狀態時間序列數據，設計基于深度神經網絡的設備征兆性預測算法，提前發現故障征兆，及時做出維護計劃；建立不同工藝下的紡紗質量演化模型提前預測紗線質量，并建立紡紗工藝專家知識庫推薦合理工藝參數實時調整方案；利用大數據處理和分析方法，構建調度規則自動生成模型與自適應優化模型，建立智能車間運營優化系統；實時故障點(或斷頭)由系統指派人員現場干預。

項目通過發掘“智能紡紗流程”中的短板和痛點問題，牽頭聯合高校和紡機企業從基礎理論到創新設計，深度研發課題和技術攻關，建立全流程無人化橋接、紡紗全流程智能化檢測與監控、數據流行動基礎與智能化執行三大創新點及9項核心關鍵技術；實踐制訂纖維物流、質量在線監測、數據流及智能執行等技術標準，滿足了“無人化車間”的行業夢想，滿足了訂單工藝的梯度式更迭、產品質量可溯源、生產管理更便捷、加工能耗最優的智能化生產目標，為未來智能化紡紗技術推廣提供了借鑒。

三、實施效果

一是技術效益：項目建成后生產效率提高37.5%，研發周期縮短40%，紗線質量2018烏斯特公報5%—50%的條干水平提高15%，紗線強力提高21%；能耗下降20.5%，產品不良率下降36.3%。

二是管理效益：項目實現了生產管控、質量在線、設備遠程運維、成本在線預算等管理模式的創新，由原來的四個車間合并為兩個車間管理，體制合并精簡50%，普通環錠紡分廠用工55人/萬錠，智能化分廠的用工10人/萬錠，同比用工減少80%；產品質量可追溯率達100%。

三是經濟效益：項年總產值17 765.6萬元，同比提高33%；利潤總額2 933.48萬元，同比提高242.39%；稅收1 529萬元，同比提高88.1%；利潤率16.51%，同比提高10.1個百分點。

四是社會效益：項目已申請相關專利34件，其中發明專利18件，授權12件；軟著11件；企業標準3項；論文3篇。項目以紡紗智能制造新模式、紡紗智能裝備和紡紗全流程智能化檢測與監控及共性技術等為重點，構建基于數據流的紡紗產業智能制造體系，大幅度提高了產品質量和工作效率。

項目采用創新性先進生產技術，與傳統紡紗技術相比具有工藝流程簡單、生產率高、成本低、能耗低等優點；生產過程廢水、廢氣、廢渣達標排放，噪聲源獲得到有效控制，具有科技型、環保型和節約型等優點；循環利用再生資源，節能環保造福社會，產生了良好的社會效益。

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